Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Auswahl des optimalen Verfahrens zur Herstellung einer großen Serie von Kupplungsgehäusen.
Hierzu werden folgende drei Verfahren genauestens miteinander verglichen:
1. Selektives Laserschmelzen
2. Niederdruckgussverfahren
3. Druckgussverfahren
Das Ziel der Verfahrensauswahl besteht darin, auf Basis der definierten Kriterien, das geeignetste Verfahren zur Herstellung des Kupplungsgehäuses auszuwählen. Dazu findet ein Vergleich zwischen drei infrage kommenden Verfahren statt, welcher die Vor- sowie Nachteile visualisiert und gegenüberstellt. Die Entscheidung für einen Fertigungsprozess findet anschließend aufgrund dieser Gesichtspunkte statt.
Inhaltsverzeichnis
1. Aufgabenstellung und Ablauf
2. Drei mögliche Verfahren
3. Kriterien Übersicht
4. Verfahrensbetrachtung
4.1 Ablauf der Verfahrensbetrachtung
4.2 Vor- und Nachteile der Verfahren
4.2.1 Selektives Laserschmelzen (SLM)
4.2.2 Niederdruckgussverfahren
4.2.3 Druckgussverfahren
4.3 Auswahlkriterien
4.3.1 Werkstoffeignung
4.3.2 Wirtschaftlichkeit
4.3.3 Produzierbare Geometrien
4.3.4 Qualität
4.3.5 Ökologische Auswirkung
4.4 Entscheidung für ein Verfahren
5. Entscheidungsprozess zwischen Warm- und Kaltkammerverfahren
5.1 Warmkammerverfahren
5.2 Kaltkammerverfahren
5.3 Darstellung der Unterschiede
5.4 Diskussion und finale Entscheidung (Kalt- & Warmkammerverfahren)
6. Quellen
6.1 Literaturverzeichnis
6.2 Abbildungsverzeichnis
Kriteriengestützte Verfahrensauswahl
1. Aufgabenstellung und Ablauf
Der 2. Teil der Modularbeit beschäftigt sich mit der Auswahl des optimalen Verfahrens zur Herstellung einer großen Serie von Kupplungsgehäusen. Das Ziel der Verfahrensauswahl besteht darin, auf Basis der definierten Kriterien (Aufgabe 1), das geeignetste Verfahren zur Herstellung des Kupplungsgehäuses auszuwählen. Dazu findet ein Vergleich zwischen drei infrage kommenden Verfahren statt, welcher die Vor- sowie Nachteile visualisiert und gegenüberstellt. Die Entscheidung für einen Fertigungsprozess findet anschließend aufgrund dieser Gesichtspunkte statt.
2. Drei mögliche Verfahren
Mit einer geplanten Stückzahl von 2 Millionen besitzt das Kupplungsgehäuse eine sehr hohe Produktionsmenge. In diesem Fall bietet sich ein Kokillengussverfahren an. Bei dieser Gruppe von Verfahren existiert eine Dauerform, welche mindestens zweiteilig ist und aus Gusseisen oder Stahl besteht.[1] Das Niederdruckgussverfahren ist ein Kokillengussverfahren, welches prinzipiell zur Herstellung der Kupplungsgehäuse geeignet ist. Es könnte ebenfalls sinnvoll sein, das Druckgussverfahren für die Erzeugung zu verwenden. Eine andere Option zu den beiden Kokillengussverfahren stellt eine Anwendung aus der additiven Fertigung dar. Hierbei handelt es sich um eine materialauftragende Fertigung. Dieser moderne Bereich birgt großes Potenzial und sollte ebenfalls in Betracht gezogen werden. Als Vertreter der additiven Fertigung könnte sich das selektive Laserschmelzen (SLM) zur Herstellung eignen.
Übersicht prinzipiell geeigneter Verfahren
1. Selektives Laserschmelzen (SLM)
2. Niederdruckgussverfahren
3. Druckgussverfahren
3. Kriterien Übersicht
Die Auswahl des Verfahrens erfolgt auf Grundlage verschiedener Kriterien, welche je nach Strategie des Herstellers anders gewichtet werden. Diese folgenden Gesichtspunkte wurden in der Aufgabe 1 zusammengestellt.
- Werkstoffeignung
- Wirtschaftlichkeit (Werkzeug-, Materialkosten, Taktzeit)
- Produzierbare Geometrien
- Qualität (Gefüge/Oberfläche)
- Ökologische Auswirkung
4. Verfahrensbetrachtung
4.1 Ablauf der Verfahrensbetrachtung
In dem Abschnitt 4.2 werden die drei verschiedenen Verfahren und deren Eigenschaften genauer dargestellt. Zuerst findet eine kurze Beschreibung des jeweiligen Fertigungsverfahrens statt, um ein zumindest grundlegendes Verständnis zu schaffen. Anknüpfend folgt die Erörterung der diversen Vor- und Nachteile. Im Anschluss daran werden dieseverschiedenen Vor-und Nachteile, pro Kriterium, im Abschnitt 4.3 gegenübergestellt und die ideale Produktionsmethodik jeder Kategorie bestimmt. Die Entscheidung für das geeignetste Verfahren, zur Herstellung des Kupplungsgehäuses, fällt im Abschnitt 4.4.
4.2 Vor- und Nachteile der Verfahren
4.2.1 Selektives Laserschmelzen (SLM)
Bei dem selektiven Laserschmelzen handelt es sich um eine spezifische, additive Anwendung, welche auch als „3D-Druck“ bezeichnet wird. Diese stammt aus der Gruppe der Strahlschmelzverfahren. Während des selektiven Laserschmelzens, schmilzt der Laserstrahl im Belichtungsbereich das Metallpulver vollständig auf. Nachdem die erste Schicht bearbeitet wurde, kommt es zum Absetzen der Bauplatte. Danach trägt die Maschine eineneue Ebene des Metallpulvers auf.Der grundlegende Ablauf lässt sich also als aufschmelzen, verfestigen, Ebene absetzen und neues Pulver auftragen, beschreiben.[2]
Es existieren diverse Vorteile, welche das selektive Laserschmelzen (SLM) bietet. Ein sehr prägnanter davon findet sich in der Diversität der herstellbaren Bauteilformen. Durch das schichtweise Erstellen des Werkstückes ist es möglich beinahe jede erdenkliche Geometriekomplexität zu realisieren wie beispielsweise komplizierte Hohlteile. Mit zunehmender Bauteilkomplexität gewinnt das Verfahren auch an wirtschaftlicher Relevanz. Dies führt zu dem nächsten wichtigen Vorteil, denn es werden beim SLM keine vorgefertigten Werkzeuge zur Bauteilherstellung benötigt. Auch die Rüstzeiten sind äußerst gering.[3] Dies führt dazu, dass die Stückkosten eine Unabhängigkeit von der Bauteilkomplexität aufweisen. Somit stellt die verwendete Menge des Materials zur Herstellung eines Bauteils eine sehr relevante Größe dar. Nach diesem Gesichtspunkt ist das Verfahren sehr gut für kleine Serien geeignet, weil ein großer Teil der Fixkosten durch Vermeidung von vorher anzufertigenden Werkzeugen entfällt. Von Vorteil ist außerdem die äußerst gute Gefügequalität. Dieses sehr reine Gefüge ist auf das örtliche (selektive) Aufschmelzen mit dem anschließenden Erstarren zurückzuführen, welches das Material völlig verdichtet. Der Energieverbrauch des Verfahrens selbst ist relativ gering einzuordnen. Grund dafür ist die hohe Materialeffizienz.[4]
Den Energieverbrauch betreffend müssen allerdings alle Aspekte berücksichtigt werden, denn in den meisten Fällen ist eine Nachbearbeitung nötig (z.B. Oberflächenbearbeitung, Entfernen der Stützstruktur). Nachteilig ist außerdem, dass bisher noch zu hohe Stückkosten für eine große Serienfertigung entstehen. Ein Grund dafür ist die sehr lange Bearbeitungszeit, die eine Maschine zum aktuellen Zeitpunkt benötigt. Die immensen Materialkosten des Metallpulvers sind außerdem ein signifikanter Kostenfaktor. Ebenfalls von Nachteil ist die hohe Oberflächenrauheit, welche auf an der Werkstückoberfläche anklebende Pulverteile zurückzuführen ist. In den meisten Fällen ist deswegen eine Nachbearbeitung der Oberfläche notwendig, was zusätzliche Kosten verursacht. Durch die heutzutage noch bestehende komplexe Zulieferung von additiv gefertigten Bauteilen ergibt sich ein enormer Aufwand für das Supply-Chain-Management. Die zentrale Fertigung der Bauteile, weniger, spezialisierter Hersteller führt zu großen Lieferketten.[4]
4.2.2 Niederdruckgussverfahren
Das Niederdruckgießen ist ein Kokillengussverfahren, bei welchem die Schmelze mithilfe eines geringfügigen Drucks in die Kokille eingebracht wird. Dabei steigt das flüssige Material aus einem Warmhalteofen durch ein Steigrohr mit etwa 0,2 bis 0,4 bar entgegen der Schwerkraft in die Gussform.[5]
Vorteilhaft ist die ausgezeichnete Gussqualität, denn aus dieser resultieren gute mechanische Kennwerte des Werkstücks. Diese Qualität ergibt sich aus der langsamen und gleichmäßigen Formfüllung.[5] Dieses turbulenzarme Verfahren bietet weitere Vorteile wie beispielsweise einen mittelmäßig einzuordnenden Energieverbrauch aufgrund eines geringen Kreislaufmaterialanteils im Gegensatz zum Druckgussverfahren, welches noch im Abschnitt 4.2.3 erörtert wird. Sollte es möglich sein, mit lediglich einem Speiser für eine gesamte und einwandfreie Formfüllung zu sorgen, kann Energie eingespart werden. Jeder weitere Speiser erzeugt einen späteren Anguss. Dieses abzutrennende Kreislaufmaterial wird aus Gründen des Recyclings erneut eingeschmolzen, woraus letztlich der erhöhte Energieverbrauch resultieren würde. Außerdem sorgt die langsam aufsteigende Schmelze für eine hohe Auswahl an geometrischen Möglichkeiten des Bauteils, denn es ist auf diese Weise möglich, Sandkerne zu verwenden. Durch Ausweitung der Produktionsmenge fallen die Stückkosten, aufgrund der hohen Fixkosten, in einem signifikanten Ausmaß, was dieses Verfahren für Großserien geeignet macht. Die Stückzeit des Niederdruckgießens ist mittelmäßig einzuordnen und somit kein entscheidender Vorteil dieses Herstellungsprozesses.[6]
Von Nachteil kann die leicht raue Oberfläche sein. Bei Forderung einer feinen Bauteiloberfläche ist eine Nachbearbeitung nötig, was zusätzliche Kosten auslöst.[7] Die Geometriefreiheit des Niederdruckgießens ist dank der Sandkerne wie erwähnt sehr groß, allerdings existieren auch geometrische Einschränkungen. Es ist nicht möglich, dünnste Wandstärken darzustellen, weil es bereits vor abgeschlossener Formfüllung zur Erstarrung des Metalls kommen würde.[8]
4.2.3 Druckgussverfahren
Das Druckgussverfahren ist eine weitere Ausführung des Kokillengussverfahrens und besitzt zwei verschiedene Herstellungsarten. Es ist in Kalt- und Warmkammerverfahren zu unterteilen. Während eines Gießprozesses wird in beiden Fällen das geschmolzene Material durch einen sehr hohen Druck in die Kokille gepresst.[9]
Ein wesentlicher Vorteil des Druckgussverfahrens ist die Tauglichkeit zur Großserienfertigung. Dieser Nutzen besteht aufgrund verschiedener Aspekte, wie beispielsweise der geringen Fertigungszeit. Auch die speziell gefertigten Kokillen spiele eine entscheidende Rolle, denn durch das kursorische Produzieren werden die hohen Fixkosten auf immer mehr Werkstücke aufgeteilt. Das senkt fortlaufend die gesamten Produktionskosten. Der hohe Druck des Füllprozesses bietet zwei zentrale Vorteile. Zum einen sorgt dieser für eine geringe Stückzeit, was sich ebenfalls positiv auf die Stückkosten auswirkt. Des Weiteren kann eine Formfüllung in den meisten Fällen aufgrund des erheblichen Drucks und hoher Formfüllungsgeschwindigkeit sichergestellt werden. Somit können selbst großflächige und sehr dünnwandige Gussbauteile gefertigt werden. Es sind mit dem Druckgießen außerdem besonders glatte Oberflächen und gute Genauigkeiten erzielbar.[10]
Das Druckgussverfahren besitzt allerdings auch Nachteile. Für kleine Produktionsmengen findet sich wegen der enormen Fixkosten, welche im Wesentlichen durch die Herstellung der Gusswerkzeuge entstehen, keine Eignung. Der hohe Einpressdruck in die Bauteilform hat wie bereits verdeutlicht Vorteile, allerdings birgt dies auch Nachteile. Die Gussqualität kann unter dieser sehr schnellen Hochdruckeinspritzung leiden. Aufgrund der turbulenten Formfüllung kann es zur Entstehung von Gussfehlern und Porosität kommen. Dies drückt sich negativ in den mechanischen Kennwerten des Gussbauteils aus. Für die Anwendung von Druckguss sind komplexe Gusswerkzeuge notwendig, welche vor dem Betrieb aufgewärmt werden müssen. Das hat eine hohe Rüstzeit zur Folge, was sich auf die Gesamtkosten auswirkt. Sowie für die Werkzeuge besteht auch für den Schmelzprozess, ein signifikanter Wärmeenergiebedarf. Dieser hohe Verbrauch, welcher zumeist durch Verbrennung von Gas zur Verfügung steht, stellt den hauptsächlichen Energiekostenfaktor dar.[10]
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